JP2022539795A - 導波路ディスプレイにおける回折アーチファクトを低減するための方法、およびその方法を用いるディスプレイ - Google Patents

Abstract

拡張現実（ＡＲ）アプリケーションのための低減されたシースルー回折アーチファクトを有する光学デバイスが提供される。デバイスは、画像光を生成するように構成されたプロジェクタと、プロジェクタと光学的に結合されており、画像光をアイボックスへ誘導するように構成された導波路とを含む。導波路は、画像光を導波路内へ結合するように構成されたインカップリング要素、および画像光を導波路外へ減結合するように構成されたアウトカップリング要素を含む。導波路は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合すること、および表示フレームの現実世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもってアイボックスへ透過することを行うように構成された少なくとも１つの切り替え可能格子を含む。【選択図】図２

Description

拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ヘッドセットは、現実世界画像またはシースルー画像と重なり合う仮想画像を表示する。回折結合構造を有する瞳拡大導波路ディスプレイは、サン／アイグラスのフォームファクタ、適度に大きい視野（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）、および大きいアイボックスを潜在的にもたらす、ＡＲディスプレイのための最も有望な設計のうちの１つである。これらの設計の主要課題のうちの１つはシースルーアーチファクトであり、例えば、回折構造は、特に、ＡＲヘッドセットを着用したユーザが特定の角度からの明るい光源を見たときに、レインボー効果をシースルー像内に生じさせる。回折構造は、多くの場合、シースルー画像の品質を最大化するように最適化されるが、これは仮想画像の品質または光効率を犠牲にし得る。

本開示の一態様は光学デバイスを提供する。光学デバイスは、画像光を生成するように構成されたプロジェクタと、プロジェクタと光学的に結合されており、画像光をアイボックスへ誘導するように構成された導波路とを含む。導波路は、画像光を導波路内へ結合するように構成されたインカップリング要素、および画像光を導波路外へ減結合するように構成されたアウトカップリング要素を含む。導波路は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合すること、および表示フレームの現実世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもってアイボックスへ透過することを行うように構成された少なくとも１つの切り替え可能格子を含む。

本開示の別の態様は光学デバイスのための方法を提供する。プロジェクタの表示フレームは、それぞれ現実および仮想世界からの光の逐次透過のための２つのサブフレームに分割される。本方法は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、プロジェクタを、画像光を生成するようオンに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合し、アイボックスへ至らせるように切り替えることを含む。本方法は、表示フレームの現実世界サブフレームの間、プロジェクタを、画像光を生成しないようオフに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもってアイボックスへ透過するように切り替えることをさらに含む。

本開示の他の態様は、当業者によって、本開示の説明、特許請求の範囲、および図面を考慮して理解され得る。

添付の図面は、様々な本開示の実施形態に係る例示の目的のために提供されており、本開示の範囲を限定すること意図されていない。

本開示の一実施形態に係るニアアイディスプレイ（ＮＥＤ：ｎｅａｒ－ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ）の概略図である。 本開示の一実施形態に係る、図１ＡにおけるＮＥＤの断面図である。 本開示の一実施形態に係る導波路ディスプレイアセンブリの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、図２に示される導波路ディスプレイアセンブリの動作を例示する図である。 本開示の一実施形態に係る別の導波路ディスプレイアセンブリの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、偏光に基づく光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、偏光に基づく光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、吸収に基づく別の光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、吸収に基づく別の光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、散乱に基づく別の光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、散乱に基づく別の光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、散乱および吸収に基づく別の光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係る、散乱および吸収に基づく別の光シャッタの概略図である。 本開示の一実施形態に係るホログラフィック高分子分散液晶（Ｈ－ＰＤＬＣ：ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）格子の概略図である。 本開示の一実施形態に係るホログラフィック高分子分散液晶格子の概略図である。 本開示の一実施形態に係る、液晶を充填された表面レリーフ格子の概略図である。 本開示の一実施形態に係る、液晶を充填された表面レリーフ格子の概略図である。 本開示の一実施形態に係るＮＥＤのための方法のフローチャートである。

本開示は、シースルーアーチファクト、例えば、回折アーチファクトを低減する能力を有する導波路ディスプレイアセンブリを提供する。導波路ディスプレイアセンブリはニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）内に実装され得る。導波路ディスプレイアセンブリは、画像光を生成するように構成されたプロジェクタと、プロジェクタと光学的に結合されており、画像光をアイボックスへ誘導するように構成された導波路とを含み得る。導波路は、画像光を導波路内へ結合するように構成されたインカップリング要素、および画像光を導波路外へ減結合するように構成されたアウトカップリング要素を含む。導波路は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合すること、および表示フレームの現実世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもって透過することを行うように構成された少なくとも１つの切り替え可能格子を含む。実施形態によっては、所定の閾値は約０．５％である。実施形態によっては、所定の閾値は約０．１％である。実施形態によっては、所定の閾値は約０．０５％である。実施形態によっては、少なくとも１つの切り替え可能格子はアウトカップリング格子である。実施形態によっては、導波路は複数の切り替え可能格子を含み、各々は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、画像光を、回折を介して案内すること、拡大すること、または導波路外へ減結合することのうちの少なくとも１つを遂行すること、および表示フレームの現実世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもって透過することを行うように構成されている。

現実世界サブフレームの間、表示パネルは、画像光を生成しないようオフに切り替えられ得、少なくとも１つの切り替え可能格子は、現実世界環境からの光を、無視し得る程度の回折を伴って透過するよう非回折状態に切り替えられ得、例えば、回折効率は所定の閾値未満である。仮想世界サブフレームの間、表示パネルは、画像光を生成するようオンに切り替えられ得、少なくとも１つの切り替え可能格子は、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合するよう回折状態に切り替えられ得る。仮想世界サブフレームおよび現実世界サブフレームの切り替え時間は、ユーザが仮想世界サブフレームおよび現実世界サブフレームを、フリッカを伴うことなく、すなわち、フリッカ融合閾値を上回り合成された様態で見るよう、十分に高速であり得る。換言すれば、現実世界および仮想世界サブフレームは、導波路ディスプレイアセンブリを含むＮＥＤのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示される。実施形態によっては、フリッカ融合閾値は約６０Ｈｚ以上であり得る。

仮想世界サブフレームは、回折アーチファクトを最小限に抑えるために現実世界サブフレームよりも短い持続期間を有し得る。回折アーチファクトをさらに低減するか、または解消するために、ディスプレイは、仮想世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を調光する（完全に阻止することを含む）ために、ＮＥＤを通して観視される現実世界環境に面する導波路の側に配設された光学調光器を含み得る。実施形態によっては、調光器はまた、現実世界サブフレームの間、現実世界環境の明るさに従って現実世界環境からの光を調光し得る。光学調光器は、０および１００％を含む、０～１００％の間の任意の数の光透過率を有するように構成され得る。すなわち、光学調光器は入射光を完全に透過するか、または完全に阻止し得る。

本開示はまた、導波路ディスプレイアセンブリのための方法を提供する。プロジェクタの表示フレームは、それぞれ現実および仮想世界からの光の逐次透過のための２つのサブフレームに分割され得る。本方法は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、プロジェクタを、画像光を生成するようオンに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合し、アイボックスへ至らせるよう回折状態に切り替えることを含み得る。本方法は、表示フレームの現実世界サブフレームの間、プロジェクタを、画像光を生成しないようオフに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもってアイボックスへ透過するよう非回折状態に切り替えることをさらに含み得る。実施形態によっては、所定の閾値は約０．１％である。仮想世界サブフレームの持続期間または時間は、回折アーチファクトを最小限に抑えるために表示フレーム内で最小限に抑えられ得る。仮想世界サブフレームの持続期間または時間は、例えば、現実世界環境の明るさに依存し得る。実施形態によっては、本方法は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、全ての切り替え可能格子を、画像光を、回折を介して案内すること、拡大すること、または導波路外へ減結合し、アイボックスへ至らせることのうちの少なくとも１つを遂行するように切り替えることと、表示フレームの現実世界サブフレームの間、全ての切り替え可能格子を、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもってアイボックスへ透過するように切り替えることとをさらに含み得る。実施形態によっては、本方法は、現実世界環境に面する導波路の側に配設された光学調光器を、仮想世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を阻止するように切り替えることをさらに含み得る。本方法は、調光器を、現実世界サブフレームの間、現実世界環境の明るさに従って現実世界環境からの光を調光する（完全に阻止することを含む）ように切り替えることをさらに含み得る。

図１Ａは、本開示の一実施形態に係るニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）１００の概略図を例示する。実施形態によっては、ＮＥＤ１００はヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ：ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ）と称され得る。ＮＥＤ１００はメディアをユーザに呈示し得る。ＮＥＤ１００によって呈示されるメディアの例は、１つまたは複数の画像、映像、音声、またはこれらの何らかの組合せを含む。実施形態によっては、音声は、音声情報をＮＥＤ１００、コンソール（図示せず）、またはその両方から受信し、音声情報に基づいて音声データを呈示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドフォン）を介して呈示される。ＮＥＤ１００は、仮想現実（ＶＲ：ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ）デバイス、拡張現実（ＡＲ）デバイス、または複合現実（ＭＲ：ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）デバイス、あるいはこれらの何らかの組合せの機能を果たす。実施形態によっては、ＮＥＤ１００が拡張現実（ＡＲ）または複合現実（ＭＲ）デバイスの機能を果たすときには、ＮＥＤ１００およびその内部構成要素の部分は少なくとも部分的に透明であり得る。

図１Ａに示されるように、ＮＥＤ１００はフレーム１０５およびディスプレイ１１０を含み得る。特定のデバイスが省略されてもよく、また、他のデバイスまたは構成要素が含まれてもよい。フレーム１１０は、ディスプレイアセンブリ１２０がユーザによってニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）として観視されることを確実にするための任意の適切な種類の装着構造を含み得る。フレーム１０５は、協働してメディアをユーザに表示する１つまたは複数の光学要素に結合され得る。実施形態によっては、フレーム１０５はアイウェア眼鏡のフレームを表現し得る。ディスプレイ１１０は、ユーザが、ＮＥＤ１００によって呈示されたコンテンツを見るように構成されている。以下において図１Ｂと関連して議論されるように、ディスプレイ１１０は、画像光をユーザの眼へ案内するための少なくとも１つのディスプレイアセンブリ（図示せず）を含み得る。

図１Ｂは、本開示の一実施形態に係る、図１Ａに示されるＮＥＤ１００の断面図１５０である。ディスプレイ１１０は少なくとも１つの導波路ディスプレイアセンブリ１１５を含み得る。射出瞳１２５は、ユーザがＮＥＤ１００を着用したときに眼１２０がアイボックス領域内で位置付けられる場所であり得る。例示の目的のために、図１Ｂは、単一の眼１２０および単一の導波路ディスプレイアセンブリ１１５に関連付けられた断面図１５０を示しているが、図示されていない代替的な実施形態では、図１Ｂに示される導波路ディスプレイアセンブリ１１５とは別個の別のディスプレイアセンブリが、画像光を、ユーザの別の眼の射出瞳に配置されたアイボックスに提供し得る。

導波路ディスプレイアセンブリ１１５は、以下において図１Ｂに例示されるように、画像光を、眼１２０の射出瞳１２５に配置されたアイボックスへ案内するように構成されている。導波路ディスプレイアセンブリ１１５は、重量を効果的に最小限に抑え、ＮＥＤ１００の視野（ＦＯＶ）を広くする１つまたは複数の屈折率を有する１種または複数種の材料（例えば、プラスチック、ガラス等）から成り立ち得る。実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ１１５はＮＥＤ１００の構成要素（例えば、ディスプレイ１１０）であり得る。実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ１１５は、何らかの他のＮＥＤ、または表示画像光を特定の場所へ案内する他のシステムの一部であり得る。図１Ｂに示されるように、導波路ディスプレイアセンブリ１１５はユーザの一方の眼１２０のためのものであり得る。一方の眼のための導波路ディスプレイアセンブリ１１５は他方の眼のための導波路ディスプレイアセンブリ１１５から分離されるか、または部分的に分離され得る。特定の実施形態では、単一の導波路ディスプレイアセンブリ１１５がユーザの両方の眼１２０のために用いられ得る。

実施形態によっては、ＮＥＤ１００は導波路ディスプレイアセンブリ１１５と眼１２０との間の１つまたは複数の光学要素を含み得る。光学要素は、例えば、導波路ディスプレイアセンブリ１１５から放射された画像光における収差を補正すること、導波路ディスプレイアセンブリ１１５から放射された画像光を拡げること、導波路ディスプレイアセンブリ１１５から放射された画像光の何らかの他の光学調整、またはこれらの何らかの組合せを行い得る。光学要素のための例は、開口、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、または画像光に影響を及ぼす任意の他の好適な光学要素を含み得る。例示的な導波路ディスプレイアセンブリ１１５が以下において図２および図４に関連して詳細に説明されることになる。

図２は、本開示の一実施形態に係る図１ＡにおけるＮＥＤの導波路ディスプレイアセンブリ２００の概略図を例示する。導波路ディスプレイアセンブリ２００は図１Ｂにおける導波路ディスプレイアセンブリ１１５であり得る。図２に示されるように、導波路ディスプレイアセンブリ２００は、ソースアセンブリ２０５、導波路２１０、およびコントローラ２１５を含み得る。ソースアセンブリ２０５は、ソース２２０および光学系２２５を含むプロジェクタ２０５であり得る。ソース２２０は、コヒーレントまたは部分コヒーレント光を生成する光源であり得る。ソース２２０は、例えば、レーザダイオード、垂直共振器面発光レーザ、および／または発光ダイオードを含み得る。実施形態によっては、ソース２２０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）パネル、シリコン上の液晶（ＬＣｏＳ：ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ－ｏｎ－ｓｉｌｉｃｏｎ）表示パネル、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ：ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）表示パネル、マイクロＬＥＤ（マイクロ発光ダイオード）表示パネル、デジタル光処理（ＤＬＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）表示パネル、またはこれらの何らかの組合せなどの、表示パネルであり得る。実施形態によっては、ソース２２０は、ＯＬＥＤ表示パネルまたはマイクロＬＥＤ表示パネルなどの、自発光型パネルであり得る。実施形態によっては、ソース２２０は、ＬＣＤパネル、ＬＣｏＳ表示パネル、またはＤＬＰ表示パネルなどの、外部ソースによって照明される表示パネルであり得る。外部ソースの例は、レーザ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、またはこれらの何らかの組合せを含み得る。光学系２２５は、ソース２２０からの光を調節する１つまたは複数の光学構成要素を含み得る。ソース２２０からの光を調節することは、例えば、コントローラ２１５からの命令に従って、透過すること、減衰させること、拡大すること、コリメートすること、および／または向きを調整することを含み得る。

プロジェクタ２０５は画像光２３０を生成し、画像光２３０を、導波路２１０に配置されたインカップリング要素２３５へ出力し得る。導波路２１０は画像光２３０を１つまたは複数のインカップリング要素２３５において受光し、受光された画像光２３０を、導波路２１０に配置されたアウトカップリング要素２４５へ誘導し得、これにより、受光された入力画像光２３０はアウトカップリング要素２４５を介してユーザの眼２６５に向けて導波路２１０外へ減結合される。

導波路２１０は、現実世界に面する第１の表面２１０－１、および眼２６５に面する反対側の第２の表面２１０－２を含み得る。インカップリング要素２３５は、導波路２１０の第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２の一部であるか、または第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２に取り付けられ得る。実施形態によっては、図２に示されるように、インカップリング要素２３５は導波路２１０の第１の表面２１０－１の一部であるか、または第１の表面２１０－１に取り付けられ得る。実施形態によっては、インカップリング要素２３５は導波路２１０の第２の表面２１０－２の一部であるか、または第２の表面２１０－２に取り付けられ得る。実施形態によっては、インカップリング要素２３５は、表面レリーフ格子、体積ホログラム、偏光格子、偏光体積ホログラム、メタ表面、または他の種類の回折要素、あるいはこれらの何らかの組合せを含み得る。実施形態によっては、インカップリング要素２３５は回折格子を含み得、回折格子のピッチは、内部全反射が導波路２１０内で生じるように選定され得、画像光２３０は導波路２１０内で（例えば、内部全反射によって）内部伝搬し得る。インカップリング要素２３５はインカップリング格子とも称される。

アウトカップリング要素２４５は、導波路２１０の第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２の一部であるか、または第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２に取り付けられ得る。実施形態によっては、図２に示されるように、アウトカップリング要素２４５は導波路２１０の第２の表面２１０－２の一部であるか、または第２の表面２１０－２に取り付けられ得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は導波路２１０の第１の表面２１０－１の一部であるか、または第１の表面２１０－１に取り付けられ得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は、表面レリーフ格子、体積ホログラム、偏光格子、偏光体積ホログラム、メタ表面、または他の種類の回折要素、あるいはこれらの何らかの組合せを含み得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は回折格子を含み得、回折格子のピッチは、入射画像光２３０を導波路２１０から出ていかせるように、すなわち、内部全反射がもはや生じなくなるよう画像光２３０を向け直すように構成され得る。このような格子はアウトカップリング格子とも称される。

実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ２００は、プロジェクタ２０５の瞳を向け直す／折り返す、および／または拡大する追加の格子を含み得、導波路ディスプレイアセンブリの例示的な構造が図４に関連して説明されることになる。実施形態によっては、複数の機能、例えば、プロジェクタ２０５の瞳を向け直すこと／折り返すこと、および／または拡大することが、単一の格子、例えば、アウトカップリング格子に組み合わせられ得る。実施形態によっては、いくつかの上述された格子は、例えば、視野（ＦＯＶ）をタイリングするために、いくつかの区分（部分格子）に分割され得る。

導波路２１０は、画像光２３０の内部全反射を促進する１種または複数種の材料から成り立ち得る。導波路２１０は、例えば、プラスチック、ガラス、および／またはポリマー、またはこれらの何らかの組合せから成り立ち得る。導波路２１０は比較的小さいフォームファクタを有し得る。例えば、導波路２１０は、おおよそ、ｘ次元に沿って幅５０ｍｍ、ｙ次元に沿って長さ３０ｍｍ、およびｚ次元に沿って厚さ０．５～１ｍｍであり得る。実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ２００は導波路の積層体を含み得、各導波路は、例えば、ＦＯＶ、および仮想画像の色スペクトルのいくらかの部分を扱うように設計されている。

コントローラ２１５はソースアセンブリ２０５の動作を制御し、ソースアセンブリ２０５のための走査命令を決定し得る。実施形態によっては、導波路２１０は、拡大画像光２３０を、大きいＦＯＶをもって眼２６５へ出力し得る。例えば、拡大画像光２３０は、６０度およびまたは６０度超、ならびにあるいは１２０度および／または１２０度未満の（ｘおよびｙにおける）対角ＦＯＶをもって眼２６５に提供され得る。導波路２１０は、８ｍｍ以上および／または５０ｍｍ以下の幅、ならびに／あるいは６ｍｍ以上および／または２０ｍｍ以下の高さを有するアイボックスを提供するように構成され得る。

実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ２００は複数のソースアセンブリ２０５および複数の導波路２１０を含み得る。ソースアセンブリ２０５の各々は、原色（例えば、赤色、緑色、または青色）に対応する特定の波長帯域の単色画像光を放射し得る。導波路２１０の各々は、多色化された拡大画像光２３０を出力するために分離距離をもって一体に積層され得る。導波路ディスプレイアセンブリ２００を用いることで、物理的ディスプレイおよび電子機器が前方の剛性本体の脇に移動され得、現実世界の全く遮るもののない像が達成され得、したがって、真のＡＲ体験の可能性を開く。

導波路２１０における回折構造によって生じるアーチファクトを低減するために、プロジェクタ２０５は、高いオン・オフ速度、ならびに、望ましくは、増大した明るさを有し得る。このようなプロジェクタは低残像プロジェクタまたは高速プロジェクタと称される。導波路ディスプレイアセンブリ２００の動作の間、各フレームは２つのサブフレーム、現実世界サブフレームおよび仮想世界サブフレームを含み得る。プロジェクタ２０５は、コントローラ２１５からの命令に従って、仮想世界サブフレームの間、仮想画像を表示するようオンに切り替えられ、現実世界サブフレームの間、仮想画像を表示することを停止するようオフに切り替えられ得る。プロジェクタ２０５のオンおよびオフの切り替えは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速であり得る。

実施形態によっては、プロジェクタ２０５は、仮想世界サブフレームの開始時に仮想画像を表示するようオンに切り替えられ、現実世界サブフレームの開始時に仮想画像を表示することを停止するようオフに切り替えられ得る。プロジェクタ２０５は、ＤＬＰ（デジタル光処理）プロジェクタ、ＬＣｏＳ（シリコン上の液晶）プロジェクタ（例えば、強誘電性ＬＣｏＳ（ＦＬＣｏＳ：ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ＬＣｏＳ）プロジェクタ）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）プロジェクタ、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）プロジェクタ、またはマイクロＬＥＤ（発光ダイオード）プロジェクタ、あるいはこれらの何らかの組合せなどの、高速切り替えの任意の適切なプロジェクタを含み得る。実施形態によっては、プロジェクタ２０５の高速なオン／オフ切り替えは、レーザ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、またはこれらの何らかの組合せなどの、高速切り替え可能光源を用いることによって実現され得る。

実施形態によっては、プロジェクタ２０５の高速なオン／オフ切り替えは、高速光シャッタを用いて、光効率を代償にして、プロジェクタ２０５の切り替え時間を低減することによって実現され得る。高速光シャッタは、入射光を阻止するための不透明状態（オフ状態）と、入射光を透過するための透明状態（オン状態）との間で選択的に切り替えられる能力を有し得る。切り替え可能光シャッタは、理想的には、０および１００％の光透過率の間で切り替えられるように構成され得る。実施形態によっては、現実世界サブフレームの間、高速光シャッタは、画像光２３０を阻止する不透明状態に切り替えられ得、仮想世界サブフレームの間、高速光シャッタは、画像光２３０を透過する透明状態に切り替えられ得る。高速光シャッタのオンおよびオフの切り替えは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示され、ユーザのフリッカ融合閾値を超える速度をもって一方から他方へ切り替わるよう、十分に高速であり得る。

実施形態によっては、高速光シャッタはプロジェクタ２０５の前方に配設され得る。実施形態によっては、高速光シャッタはプロジェクタ２０５の光源２２０の前方に配設され得る。一実施形態では、図２に示されるように、光学系２２５は、光源２２０の前方に配設されており、コントローラ２１５によって制御される高速光シャッタ２６０を含み得る。実施形態によっては、高速光シャッタ２６０は、例えば、ミリ秒（ｍｓ）またはマイクロ秒（μｓ）のオーダの、高速な切り替え速度を有する切り替え可能シャッタであり得る。実施形態によっては、高速光シャッタ２６０は、ＬＣシャッタと称される液晶（ＬＣ）材料を含み得る。ＬＣシャッタの例が図５Ａ～図８Ｂにおいて説明されることになる。

さらに、アウトカップリング要素２４５は、コントローラ２１５からの命令に従って、光を回折する格子効果を有するオン状態（または回折状態）と、光を、無視し得る程度の回折を伴って、例えば、所定の閾値未満の回折効率をもって透過するオフ状態（または非回折状態）との間で選択的に切り替えられる能力を有する高速切り替え可能アウトカップリング格子を含み得る。実施形態によっては、所定の閾値は約０．５％であり得る。実施形態によっては、所定の閾値は約０．１％であり得る。実施形態によっては、所定の閾値は約０．０５％であり得る。例示の目的のために、図２は、導波路２１０が１つのアウトカップリング格子２４５を含む様子を示している。実施形態によっては、導波路２１０は複数のアウトカップリング格子を含み得、各々は、光を回折する格子効果を有するオン状態（または回折状態）と、光を、無視し得る程度の回折を伴って、例えば、所定の閾値未満の回折効率をもって透過するオフ状態（または非回折状態）との間で選択的に切り替えられる能力を有する。

実施形態によっては、高速切り替え可能アウトカップリング格子は、格子構造が形成されたＬＣ層を含み得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は、仮想世界サブフレームの間、入射光を回折するようオン状態に切り替えられ、現実世界サブフレームの間、入射光を、無視し得る程度の回折を伴って透過するようオフ状態に切り替えられ得る。アウトカップリング要素２４５の切り替えは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示されるよう、十分に高速であり得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は、仮想世界サブフレームの開始時にオン状態に切り替えられ、現実世界サブフレームの開始時にオフ状態に切り替えられ得る。ユーザに対して可視である導波路２１０に設けられた任意の追加の格子（例えば、折り返し格子、瞳拡大格子）も、アウトカップリング要素２４５に加えて切り替え可能であり得ることも理解されたい。

仮想世界サブフレームの間、アウトカップリング要素２４５は画像光２３０を、回折を介して導波路２１０外へ減結合し得、それゆえ、眼２６５は仮想画像を観察し得る。その間、現実世界光２５５が透過され、アウトカップリング要素２４５に入射することができたときには、現実世界環境からの光２５５（すなわち、現実世界光２５５）もアウトカップリング要素２４５によって回折され得る。現実世界サブフレームの間、現実世界光２５５は、無視し得る程度の回折を伴ってアウトカップリング要素２４５を直接透過され得る。仮想世界サブフレームが、全フレーム期間のうちの短い期間にわたってのみ持続するように制御されるときには、アウトカップリング要素２４５は、無視し得る程度の影響をシースルー像に与え得、これにより、導波路２１０におけるアウトカップリング要素２４５の回折構造によって生じるシースルーアーチファクトは最小限に抑えられ得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は、第１の偏光方向を有する光を回折する格子効果を有し、格子効果を有しないが、第２の偏光方向を有する光を、無視し得る程度の回折を伴って透過する、偏光感受型格子を含み得る。

第２の偏光方向は第１の偏光方向とは異なり得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５は、画像光２３０を回折し、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過するように構成され得、画像光２３０および現実世界光２５５は異なる偏光方向、例えば、直交偏光方向を有し得る。現実世界光の偏光は、例えば、ＮＥＤを通して観視される現実世界環境に面する導波路２１０の第１の表面２１０－１に設置された偏光子を用いて制御され得る。現実世界光２５５は、偏光子を透過した後に、偏光した光になり、その後、導波路２１０に入射し得る。実施形態によっては、偏光子は直線偏光子であり得る。実施形態によっては、偏光子は円偏光子であり得る。さらに、偏光した光の偏光は、導波路２１０内を進行することによって変化し得、このため、偏光補正要素（例えば、導波路２１０に隣接して配設された異方性プレート）が所望され得る。偏光感受型格子は切り替え可能または非切り替え可能であり得る。

アウトカップリング要素２４５が偏光感受型格子を含むときには、仮想世界サブフレームの間、アウトカップリング要素２４５は画像光２３０を回折するが、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過し得る。現実世界サブフレームの間、アウトカップリング要素２４５は画像光２３０を受光しないが、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過し得る。仮想世界サブフレームの表示時間が現実世界サブフレームの表示時間よりもはるかに短いときには、例えば、仮想世界サブフレームの表示時間が全フレーム期間の１０％であるときには、導波路２１０におけるアウトカップリング要素２４５の回折構造によって生じるシースルーアーチファクトは著しく低減され得る。実施形態によっては、これらの２つの動作が同時に起こり得るため、各表示フレームはもはや仮想世界サブフレームおよび現実世界サブフレームに分割されなくてもよい。すなわち、全表示フレームの間、アウトカップリング要素２４５は画像光２３０を回折するが、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過し得る。表示フレームを仮想世界サブフレームおよび現実世界サブフレームに分割することの利点は、たとえ、偏光子が、現実世界環境に面する導波路２１０の第１の表面２１０－１に設けられているときでも、高い入射角（例えば、６０°超）をもって偏光子に入射する現実世界光は完全に偏光させられ得ないことである。偏光子によって完璧に吸収されない偏光成分はアウトカップリング要素２４５に入射し、アウトカップリング要素２４５によって回折され得、レインボー効果を生じさせる。例示的な高速切り替え可能ＬＣ格子および偏光感受型格子が図９Ａ～図１０Ｂにおいて説明されることになる。

図３は、本開示の一実施形態に係る、図２に示される導波路ディスプレイの動作を例示する。図３に示されるように、導波路ディスプレイの動作中、各フレームは、２つのサブフレーム、現実世界サブフレーム（段階１）および仮想世界サブフレーム（段階２）を含み得る。仮想世界サブフレームは、現実世界サブフレームよりも短い持続期間を有し得る。例えば、現実世界サブフレームは全フレーム期間の時間の４０％～５０％、１０％～２０％、または１％～１０％にわたって持続し得、現実世界サブフレームは全フレーム期間の５０％～６０％、８０％～９０％、または９０％～９９％の時間にわたって持続し得る。

図２および図３を参照すると、現実世界サブフレーム（段階１）の間、プロジェクタ２０５は、仮想画像を表示しないオフ状態に切り替えられ得、および／または高速光シャッタ２６０は、画像光２３０を阻止するよう不透明状態に切り替えられ得、よって、アウトカップリング要素２４５は画像光２３０を受光し得ない。その間、アウトカップリング要素２４５は、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過するようオフ状態に切り替えられ得る。仮想世界サブフレーム（段階２）の間、プロジェクタ２０５は、仮想画像を表示するオン状態に切り替えられ得、および／または高速光シャッタ２６０は、画像光２３０を透過するよう透明状態に切り替えられ得、よって、アウトカップリング要素２４５はインカップリング要素２３５を介して画像光２３０を受光し得る。その間、アウトカップリング要素２４５は、アウトカップリング要素２４５に入射する画像光２３０および現実世界光２５５の両方を回折するようオン状態に切り替えられ得、これにより、画像光２３０は導波路２１０外へ減結合され、眼２６５に入射し得、ユーザは仮想画像を観察し得る。

すなわち、１つのフレーム内で、全フレーム期間のうちの短い期間（例えば、全フレーム期間の４０％～５０％、１０％～２０％、または１％～１０％）にわたって、ユーザが仮想画像を観察するために、プロジェクタ２０５はオンに切り替えられ得、および／または高速光シャッタ２６０は透明状態であり得、アウトカップリング要素２４５は格子効果を呈し得、全フレーム期間のうちの残りの部分（例えば、全フレーム期間の５０％～６０％、８０％～９０％、または９０％～９９％）にわたって、シースルー像のために、プロジェクタ２０５はオフに切り替えられ得、および／または高速光シャッタ２６０は不透明状態であり得、アウトカップリング要素２４５は光を、無視し得る程度の回折を伴って透過し得る。このようなプロジェクタは低残像プロジェクタと称される。低残像プロジェクタのパルス状動作はＮＥＤの電力消費を減少させ得る。

例えば、全フレーム期間が１０ｍｓであるときには、１ｍｓ～１００ｕｓにわたって、仮想画像のために、プロジェクタ２０５はオンに切り替えられ得、および／または高速光シャッタ２６０は透明状態であり得、アウトカップリング要素２４５は格子効果を呈し得る。それゆえ、アウトカップリング要素２４５は、シースルー像に対して無視し得る程度の影響を有し得、アウトカップリング要素２４５の回折構造によって生じるレインボーイング効果はシースルー像内で可視でなくなり得る。例えば、アウトカップリング要素２４５が全フレーム期間の１０％にわたってのみ格子効果を呈する（すなわち、段階２が全フレーム期間の１０％にわたって持続する）ときには、シースルーアーチファクトは、アウトカップリング要素２４５が全フレーム期間を通して格子効果を呈する状況と比べて約１０％に低減され得ることが期待される。

実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５が高速切り替え可能格子を含むときには、現実世界サブフレーム（段階１）の間、アウトカップリング要素２４５は現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過するようオフ状態（または非回折状態）に切り替えられ得る。仮想世界サブフレーム（段階２）の間、アウトカップリング要素２４５は、画像光２３０および現実世界光２５５の両方を回折するようオン状態（または回折状態）に切り替えられ得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５が偏光感受型格子を含むときには、現実世界サブフレーム（段階１）の間、アウトカップリング要素２４５は、第２の偏光方向を有する現実世界光２５５を受光し、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過するように構成され得る。仮想世界サブフレーム（段階２）の間、アウトカップリング要素２４５は、第１の偏光方向を有する画像光２３０および第２の偏光方向を有する現実世界光２５５の両方を受光し、画像光２３０を回折するが、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過するように構成され得る。現実世界光２５５の偏光は、直線偏光子を導波路２１０の第１の表面２１０－１に配設することによって制御され得る。実施形態によっては、これらの２つの動作が同時に起こり得るため、各表示フレームはもはや仮想世界サブフレームおよび現実世界サブフレームに分割されなくてもよい。すなわち、表示フレームの全フレーム期間の間、アウトカップリング要素２４５は画像光２３０を回折するが、現実世界光２５５を、無視し得る程度の回折を伴って透過し得る。それゆえ、導波路２１０におけるアウトカップリング要素２４５の回折構造によって生じるシースルーアーチファクトが著しく低減され得る。

図２を参照すると、実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５に加えて、インカップリング要素２３５も、アウトカップリング要素２４５と同様の格子を含み得る。格子は、全フレームのうちの短い期間にわたって格子効果を呈する高速切り替え可能格子であり得る。インカップリング要素２３５は、コントローラ２１５からの命令に従って、アウトカップリング要素２４５と共に周期的にオフおよびオンに切り替えられ得る。詳細についてはアウトカップリング要素２４５を参照することができ、本明細書において繰り返されない。

実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ２００は、導波路２１０の第１の側２１０－１、すなわち、現実世界環境に面する側に配設された高速光学調光器２５０をさらに含み得る。実施形態によっては、調光器２５０は、アウトカップリング要素２４５が格子効果を呈する際にシースルー像を阻止するために作動させられ得、これを通してシースルーアーチファクトはシースルー減衰を代償にしてほぼ０％に低減され得る。例えば、全フレーム期間の９０％にわたって持続する現実世界サブフレーム内では、調光器２５０は、現実世界光２５５を透過するよう透明状態に切り替えられ得、全フレーム期間の１０％にわたって持続する仮想世界サブフレーム内では、調光器２５０は、現実世界光２５５を阻止するよう不透明状態に切り替えられ得、これにより、シースルーアーチファクトはシースルー明るさの１０％の低減を代償にしてほとんど解消され得る。しかし、シースルー減衰の場合の暗い背景は、このサブフレーム内で顕示される仮想画像のコントラストを増大させ得る。加えて、調光器２５０の使用はまた、仮想画像の回折と、現実世界光のためのシースルー像の品質（レインボーの最小化を含む）との間のトレードオフを見出すのではなく、格子構造を仮想画像のために最適化することを可能ならしめ得る。実施形態によっては、調光器２５０は入射光を適応的に調光し得る。すなわち、調光器２５０は、２つの透過率状態のみを有する遮断要素ではなく、制御可能調光要素として機能し得る。調光器２５０によって提供される減衰は、例えば、外部電界、磁界、または光、あるいはこれらの何らかの組合せによって制御され得る。例示的な高速光シャッタまたは調光器が図５Ａ～図８Ｂにおいて説明されることになる。

図４は、本開示の一実施形態に係る別の導波路ディスプレイアセンブリ４００の断面図を例示する。図４と図２との間の類似点は繰り返されず、その一方で、特定の相違が説明され得る。実施形態によっては、図４に示されるように、導波路ディスプレイアセンブリ４００は、受光された入力画像光２３０をアウトカップリング要素２４５へ向け直す案内要素２４０をさらに含み得、これにより、受光された入力画像光２３０はアウトカップリング要素２４５を介して導波路２１０外へ減結合される。案内要素２４０は、導波路２１０の第１の側２１０－１の一部であるか、または第１の側２１０－１に取り付けられ得る。アウトカップリング要素２４５は、導波路２１０の第２の側２１０－２の一部であるか、または第２の側２１０－２に取り付けられ得、これにより、案内要素２４０はアウトカップリング要素２４５に向かい合って設けられている。

実施形態によっては、案内要素２４０およびアウトカップリング要素２４５は構造的に同様であり得る。案内要素２４０は、表面レリーフ格子、体積ホログラム、偏光格子、偏光体積ホログラム、メタ表面、または他の種類の回折要素、あるいはこれらの何らかの組合せを含み得る。実施形態によっては、案内要素２４０は回折格子であり得、この場合には、案内要素２４０はフォールディング格子とも称される。実施形態によっては、導波路ディスプレイアセンブリ４００は案内要素２４０を含むが、アウトカップリング要素２４５を含まなくてもよく、案内要素２４０は導波路２１０の第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２に配設され得る。この場合には、案内要素２４０は図２におけるアウトカップリング要素２４５と同様に機能し得る。すなわち、案内要素２４０は光を導波路２１０から出ていかせ得る。

実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５と同様に、案内要素２４０はまた、コントローラ２１５からの命令に従って、入射光を回折する格子効果を有するオン状態（または回折状態）と、入射光を、無視し得る程度の回折を伴って透過するオフ状態（または非回折状態）との間で選択的に切り替えられる能力を有する高速切り替え可能格子を含み得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５と同様に、案内要素２４０はまた、第１の偏光方向を有する入射光を回折する格子効果を有し、格子効果を有しないが、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する入射光を透過する、偏光感受型格子を含み得る。案内要素２４０が高速切り替え可能格子ｃを含むときには、案内要素２４０はアウトカップリング要素２４５と共に周期的にオフおよびオンに切り替えられ得る。アウトカップリング要素２４５と同様に、案内要素２４０の格子効果は、ディスプレイアセンブリ４００の動作中の全フレーム期間のうちの短い期間にわたって持続するように構成され得る。それゆえ、案内要素２４０もまた、シースルー像に対して無視し得る程度の影響を有し得、これにより、導波路２１０における案内要素２４０の回折構造によって生じるシースルーアーチファクトが抑制され得る。詳細についてはアウトカップリング要素２４５を参照することができ、本明細書において繰り返されない。

例示の目的のために、図２および図４は、プロジェクタ２０５、アウトカップリング要素２４５、調光器２５０、案内要素２４０、およびインカップリング要素２３５が全てコントローラ２１５によって制御され得る様子を示している。実施形態によっては、プロジェクタ２０５、アウトカップリング要素２４５、調光器２５０、案内要素２４０、およびインカップリング要素２３５は個々のコントローラによって制御され得るか、またはそれらのうちのいくつかはコントローラを共有し得、これは本開示によって限定されない。

さらに、導波路ディスプレイアセンブリ４００における回折構成要素（例えば、導波路格子と称される、アウトカップリング要素２４５、案内要素２４０、インカップリング要素２３５）に加えて、ＮＥＤはまた、導波路格子ほどは強くないレインボーアーチファクトを同じく生じさせ得る、視標追跡コンバイナ、遠近調節レンズ（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｌｅｎｓ）等などの他の回折構成要素を含み得る。実施形態によっては、回折構成要素によって生じるレインボーアーチファクトを最大限に抑制するために、全てのこれらの要素（全ての回折構成要素、プロジェクタ、および光シャッタ）が、切り替え可能であるように、例えば、仮想世界サブフレームの間、オン状態に切り替えられ、現実世界サブフレームの間、オフ状態に切り替えられるように構成され得る。実施形態によっては、全ての回折要素、プロジェクタ、およびシャッタの切り替えは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速であることが所望され得る。

実施形態によっては、回折構成要素によって生じるレインボーアーチファクトを抑制するために、全ての回折構成要素、プロジェクタ、および光シャッタのうち、少なくともプロジェクタ２０５およびアウトカップリング要素２４５が、仮想世界サブフレームの間、オン状態に切り替えられ、現実世界サブフレームの間、オフ状態に切り替えられ得る。実施形態によっては、プロジェクタ２０５およびアウトカップリング要素２４５の切り替えは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速であり得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５、およびプロジェクタ２０５の切り替え時間を低減する能力を有する光シャッタは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速な仕方でオンに切り替えられ、オフに切り替えられるように構成され得る。このような単純化は、導波路格子以外の回折構成要素によって生じるいくらかの弱いレインボーアーチファクトを代償にする。

実施形態によっては、回折構成要素によって生じるレインボーアーチファクトを抑制するために、全ての回折構成要素、プロジェクタ、および光シャッタのうち、プロジェクタ２０５、アウトカップリング要素２４５、および案内要素２４０が、仮想世界サブフレームの間、オン状態に切り替えられ、現実世界サブフレームの間、オフ状態に切り替えられ得る。実施形態によっては、プロジェクタ２０５、アウトカップリング要素２４５、および案内要素２４０の切り替えは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速であり得る。実施形態によっては、アウトカップリング要素２４５、案内要素２４０、およびプロジェクタ２０５の切り替え時間を低減する能力を有する光シャッタは、現実世界および仮想世界サブフレームが、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速な仕方でオンに切り替えられ、オフに切り替えられるように構成され得る。このような単純化は、導波路格子以外の回折構成要素によって生じるいくらかの弱いレインボーアーチファクトを代償にする。

以下において、例示的な高速切り替え可能ＬＣシャッタが説明されることになる。切り替え可能ＬＣシャッタは、偏光に基づくＬＣシャッタ、吸収に基づくＬＣシャッタ、散乱に基づくＬＣシャッタ、ならびに散乱および吸収に基づくＬＣシャッタ等などの、動作原理に基づく異なるカテゴリに分類され得る。

偏光に基づくＬＣシャッタは、単純に、ディスプレイ区域全体を覆う単一の大きなセルまたは「ピクセル」を有する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であり得る。シャッタは、単純に、「開放している」（透明状態時）か、または「閉鎖している」（不透明状態時）ことができる。シャッタは、単純な方形波駆動電圧を印加することによってシャッタの開放および閉鎖状態の間で切り替えられ得る。偏光に基づくＬＣシャッタの例は、ネマチックＬＣシャッタ、強誘電性ＬＣ（ＦＬＣ）シャッタ、ゲストホストＬＣシャッタ、高分子安定化ブルー相ＬＣ（ＢＰＬＣ：ｂｌｕｅ ｐｈａｓｅ ＬＣ）シャッタ等を含み得る。通常のねじれネマチックＬＣ（ＴＮＬＣ：ｔｗｉｓｔ ｎｅｍａｔｉｃ ＬＣ）セルを有するネマチックＬＣシャッタは約９０～１００Ｈｚのレートで切り替えられるのみであり得る。最大約１０００Ｈｚのより高速な切り替えレートのためには、パイセルと呼ばれる特別な種類のＬＣセルがＬＣシャッタ内で用いられ得る。パイセルの名称は、ＬＣ層を挟む２つの反対の基板上の平行な配向方向によって形成される、１８０°である、ＬＣ分子のねじれに由来する。高速な速度は流体力学の結果である。比較的高い電圧状態（例えば、ホメオトロピック状態）において動作させられているパイセルから電圧が除去されたとき、ＬＣ分子は、ＬＣ分子の低電圧状態（例えば、ベンド状態）に戻るためのトルクをほとんど感じ得ない。パイセルの動作においては、所望の低電圧状態における「保持」電圧が、純粋な偏光切り替えを維持するために所望され得、パイセルは、ミリ秒（ｍｓ）のオーダの高速な切り替え速度をもって高電圧状態（例えば、約１０Ｖ）と低保持電圧状態（例えば、約２Ｖ）との間で動作させられる。加えて、パイセルは、表面境界における対称的なＬＣ分子配向のゆえに、自然に高い視野角を有し得る。表面における残留複屈折を減ずるための補償膜を用いて、高コントラストが容易に達成される。

図５Ａ～図５Ｂは、本開示の一実施形態に係るパイセルＬＣシャッタ５００の概略図を例示する。図５Ａに示されるように、パイセルＬＣシャッタ５００は、偏光子と称される第１の直線偏光子５１０、検光子と称される第２の直線偏光子５２０、および偏光子５１０と検光子５２０との間に挟まれたＬＣセル５３０を含み得る。偏光子５１０および検光子５２０は交差した直線偏光子であり得る。すなわち、偏光子５１０の透過軸は検光子５２０の透過軸と直交するように設けられ得る。偏光子５１０および検光子５２０の透過軸はＬＣセル５３０の配向方向に対してプラスまたはマイナス３５°～５５°の角度で配設され得る。実施形態によっては、偏光子５１０および検光子５２０の透過軸はＬＣセル５３０の配向方向に対してプラスまたはマイナス４５°の角度で配設され得る。

ＬＣセル５３０は、互いに反対に設けられた上部および下部基板５０２を含み得る。基板５０２は可視帯域（約３８０ｎｍ～約７００ｎｍ）内において実質的に透明であり得る。実施形態によっては、基板５０２はまた、赤外（ＩＲ）帯域（約７００ｎｍ～約１ｍｍ）のうちの一部または全てにおいても透明であり得る。基板５０２は、先に挙げた波長範囲の光に対して実質的に透明である好適な材料、例えば、ガラス、プラスチック、サファイア等を含み得る。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）電極などの導電性電極５０４が、電界をＬＣセル５３０に印加するために基板５０２の反対の表面上に配設され得る。

配向層５０６が電極５０４の反対の表面上に配設され得、ネマチックＬＣ分子５１２を含むＬＣ層が２つの配向層５０６の間に挟まれ得る。２つの配向層５０６は、例えば、矢印５１４によって指示されるｘ方向における、ホモジニアスな平行配向方向を有するように構成され得、これを通して、上部および下部基板５０２の近くのネマチックＬＣ分子５１２は平行方向に指向させられ得る。ＬＣ分子５１２の配向子は、一方の基板から他方に対して、各基板５０２上の平行な配向方向（例えば、平行なラビング方向）によって形成される、１８０°だけねじれ得る。比較として、ＴＮＬＣセルにおいては、２つの基板上の配向方向は互いに垂直であり、それゆえ、一方の基板から他方に対するＬＣ配向子の９０°のねじれがＴＮＬＣセルの内部で形成される。

比較的低い電界が印加されたときには（例えば、比較的低い電圧Ｖ_１（例えば、Ｖ_１＝２Ｖ）が印加されたときには）、図５Ａに示されるように、ＬＣセル５００は、ＬＣ層の中央におけるＬＣ分子５１２が電界Ｅによって向きを変えられ、基板５０２と垂直になり、その一方で、他のＬＣ分子５１２が表面の拘束のために依然として配向方向５１２と平行に指向させられる、ベンド状態において動作させられ得る。実施形態によっては、入射光５４０の偏光方向は偏光子５１０の透過軸と平行であり得る。ＬＣセル５３０を通って伝搬した後に、入射光５４０の偏光方向は９０°だけ回転させられ、検光子５２０の透過軸と平行になり得、これにより、入射光５４０は検光子５２０を透過され得、ＬＣシャッタ５００の透明状態を実現する。

比較的高い電界が印加されたときには（例えば、比較的高い電圧Ｖ_２（例えば、Ｖ_２＝１０Ｖ）が印加されたときには）、図５Ｂに示されるように、ＬＣセル５３０は、ＬＣ分子５１２のうちの大部分が電界Ｅによって向きを変えられ、基板５０２と垂直になるホメオトロピック状態に切り替えられ得る。ＬＣセル５３０を通って伝搬した後に、入射光５４０の偏光方向は、検光子５２０の透過軸と垂直である、実質的に同じままであり得る。それゆえ、入射光５４０は検光子５２０によって阻止され得、ＬＣシャッタ５００の不透明状態を実現する。ＬＣセル５３０を比較的低い電圧状態（例えば、ベンド状態）と比較的高い電圧状態（例えば、ホメオトロピック状態）との間で切り替えることを通して、パイセルＬＣシャッタ５００は透明状態（すなわち、入射光が透過される）と不透明状態（すなわち、入射光が阻止である）との間で切り替えられ得、切り替え時間は実質的に高速になり、例えば、ミリ秒（ｍｓ）のオーダのものになり得る。

ＦＬＣシャッタは、ＦＬＣ分子の固有の面内切り替え挙動のゆえに、通例、１００マイクロ秒（μｓ）未満の超高速切り替え、優れた視野角、および低い残留リターダンスをもたらすことができるであろう。ＦＬＣシャッタは、交差した偏光子と検光子との間に挟まれたＦＬＣセルを含み得る。ＦＬＣセルは、２つの反対の基板の間に挟まれたＦＬＣ層を含み得、各基板は電極および配向層を伴って配設され得る。強誘電性スメクチックＣ＊相（記号「＊」はキラル性を指す）内では、ＦＬＣ層内のＦＬＣ分子は、スメクチック層が基板と垂直である層状の幾何学構成で配列され得、ＦＬＣ分子の配向子は、軸がスメクチック層に直角であり、基板と平行である円錐の表面に沿って運動し得る。ＦＬＣ分子は、スメクチック層の法線に対して傾斜したＦＬＣ分子と垂直な自発分極を有するらせん形構造を有し得、傾斜角はθである。ＬＣセルの厚さが、らせんピッチよりもはるかに小さい表面安定化（ｓｕｒｆａｃｅ－ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ）構成の薄いセル内では、ＦＬＣのらせんは巻かれ得ず、それゆえ、正味の自発分極を生じさせる。このようなＦＬＣモードは表面安定化（ＳＳＦＬＣ）モードとして知られる。実施形態によっては、ＬＣ層の厚さはらせんピッチに匹敵し、らせん形構造の完全な抑制は、電界が印加されたときにのみ達成され得る。このようなＦＬＣモードは電気抑制らせん（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｈｅｌｉｘ）モード（ＥＳＨＦＬＣモード）として知られる。ＦＬＣの他の動作モードについては、レビュー論文［Ａ．Ｓｒｉｖａｓｔａｖａら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ＳＩＤ ２３／６，２５３（２０１５）］を参照することができる。

電圧を印加すると、ＦＬＣ分子は円錐に沿って回転させられ、自発分極が電界の方向と平行である状態にＦＬＣ分子自身を迅速に配向させ得る。具体的には、ＦＬＣ分子の配向子は、外部電界がその極性を変えた際に一方の最終から他方へ向きを変えられ得る。切り替えの総角度は傾斜角θの２倍と等しい。各最終状態において、ＦＬＣ分子の配向子は基板と平行のままであり得、それゆえ、ＦＬＣセルを一軸性位相板に変容させる。ＦＬＣセルが、交差した偏光子と検光子との間に設置されており、偏光子の透過軸が、最終状態のうちの一方においてＦＬＣ分子の配向子と一致するように構成されており、これにより、ＦＬＣ層の光軸が偏光子と、通常、４５°に近くなるように設計される、角度２θをなすときに、透過光強度の最大変動が達成され得る。反対極性の印加電界下で、高速および高コントラストの光シャッタを得ることができる。

吸収に基づくＬＣシャッタの一例はゲストホストＬＣシャッタである。図６Ａ～図６Ｂは、本開示の一実施形態に係るゲストホストＬＣシャッタ６００の概略図を例示する。図６Ａに示されるように、ゲストホストＬＣシャッタ６００は、２つの反対の基板６０２、および２つの反対の基板６０２の間に挟まれたＬＣ層を含み得る。各基板６０２は透明電極６０４および配向層６０６を提供され得る。ＬＣ層は、ホストＬＣ６０８、およびＬＣ６０８内にドープされたゲスト二色性色素６１０の混合物を含み得る。色素分子６１０は電圧オフ状態においてＬＣ分子６０８と共に配向され得、電圧オン状態において印加電界Ｅの下でＬＣ分子６０８と向きを変えられ得る。色素分子６１０の吸収特性は入射光６４０に対する色素分子の向きに依存し得る。実施形態によっては、色素分子６１０の吸収軸および入射光６４０の偏光方向が平行であるときに、色素分子６１０は入射光６４０を強く吸収し得る。反対に、色素分子６１０の軸および入射光６４０の偏光方向が互いに交差しているときに、色素分子６１０は入射光６４０を弱く吸収し得る。それゆえ、電界によって色素分子６１０の向きを切り替えることを通して、入射光６４０は吸収されるか、または透過され得る。よって、ゲストホストＬＣシャッタ６００は不透明状態と透明状態との間で切り替えられ得る。

ＬＣ層内のＬＣ６０８は正または負の誘電異方性を有し得る。例示の目的のために、図６Ａ～図６Ｂは、ＬＣ６０８が正の誘電異方性（Δε＞０）を有する様子を示す。図６Ａ～図６Ｂに示されるように、ＬＣ６０８の配向子が平面の向きから、印加電圧Ｖと共に垂直な向きに変化したときに、色素６１０の長分子軸もＬＣ６０８と共に向きを変化させ得る。すなわち、色素６１０は、Ｖ＝０における平面の向き（強い吸収状態）から、Ｖ≠０における垂直な向き（弱い吸収状態）に変化し得る。よって、ゲストホストＬＣシャッタ６００は、Ｖ＝０における不透明状態から、Ｖ≠０における透明状態に変化させられ得る。実施形態によっては、ＬＣ６０８は負の誘電異方性（Δε＜０）を有し得、ゲストホストＬＣシャッタ６００の不透明状態および透明状態は逆にされ得る。すなわち、ゲストホストＬＣシャッタ６００は、Ｖ＝０における透明状態、およびＶ≠０における不透明状態を有し得る。ゲストホストＬＣシャッタ６００は、入射光の５０％超を吸収する偏光子を含まなくてもよい。また、ゲストホストＬＣシャッタ６００の生産コストは著しく低減され得る。加えて、フレキシブル基板が、ゲストホストＬＣシャッタ内で用いられることを可能にされてもよく、これは、ＮＥＤの設計全体の高い設計柔軟性を可能にし得る。

散乱に基づくＬＣシャッタの例は、高分子分散液晶（ＰＤＬＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）シャッタ、高分子ネットワーク液晶（ＰＮＬＣ：ｐｏｌｙｍｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）シャッタ、充填ＬＣシャッタ等を含み得る。ＬＣ／高分子複合物は高分子および高分子の濃度に応じてネットワークまたは液滴の形態で現れ得る。高分子の低濃度領域（約１～２重量％）内では、応答時間は著しく改善され得るが、しかし、結果として生じる光散乱は可視範囲内で非常に強くなり得る。高分子濃度が約３～８重量％に増大したとき、高分子ネットワーク液晶（ＰＮＬＣ、ゲルとしても知られる）が、異方性光散乱挙動を呈するホモジニアスまたはホメオトロピックセル内に形成され得る。高分子濃度が３０～４０重量％に増大したとき、高分子分散液晶（ＰＤＬＣ）が形成され得る。配向層はＰＤＬＣセル内でもはや必要なくなり得る。ミクロンサイズのＬＣ液滴が高分子マトリックス内に分散しており、この内部で可視光は偏光とは関わりなく強く散乱させられ得る。高い高分子濃度領域（約６０～７０重量％）内では、ナノスケールＰＤＬＣ（ナノＰＤＬＣ）が形成され得る。ＬＣ液滴サイズが可視波長よりもはるかに小さいため、ナノＰＤＬＣは光散乱を含み得ず、ナノＰＤＬＣの応答時間は高速である（３０～２００μｓ）。しかし、このような小さい液滴内のＬＣ分子の向きを変えるためには、比較的高い切り替え電界が所望され得る。配向層はナノＰＤＬＣセル内でもはや必要なくなり得る。

図７Ａ～図７Ｂは、本開示の一実施形態に係るＰＤＬＣシャッタ７００の概略図を例示する。図７Ａに示されるように、ＰＤＬＣシャッタ７００は、２つの反対の基板７０２、および２つの基板７０２の間に挟まれたＰＤＬＣ層を含み得る。各基板７０２は、電圧をＰＤＬＣ層に印加するための、ＩＴＯ電極などの、透明電極７０４を提供され得る。ＰＤＬＣ層は、光学的に等方性の高分子マトリックス７０８内にランダムに分散したマイクロサイズのネマチックＬＣ液滴７０６を含む複合材層であり得る。ＬＣ液滴７０６は、誘電異方性を呈する双極性構成を各々有し得る。ＰＤＬＣは、液体中におけるＬＣのエマルションからのカプセル化によって、または例えば、光重合もしくは熱重合を用いた、重合誘起相分離プロセスによって得ることができる。ＬＣ液滴７０６内のＬＣの常光屈折率ｎ_ｏは、高分子マトリックス材料の屈折率ｎ_ｐに十分に近くなるように（一致することを含む）選定され得る。ＰＤＬＣシャッタ７００は偏光子を用いずに作動し得る。

電圧オフ状態では、図７Ａに示されるように、各ＬＣ液滴７０６の対称軸は、概して、ランダムに指向させられ得る。高分子マトリックス材料の屈折率とＬＣの実効屈折率との差は実質的に法線方向の入射光７１０の散乱を生じさせ得、ＰＤＬＣシャッタ７００に乳白色の外観を与える。ＰＤＬＣシャッタ７００の不透明状態が実現され得る。可視光の波長の同じオーダの直径を有するＬＣ液滴７０６は入射可視光をより効率的に散乱させ得ることに留意されたい。電圧オン状態では、図７Ｂに示されるように、電界がＰＤＬＣ層の法線方向に沿って印加され得、正の誘電異方性のＬＣを有するＬＣ液滴７０６の対称軸は電界によって向きを変えられ、電界方向と平行になる傾向を取り得る。ＬＣの常光屈折率ｎ_ｏが高分子マトリックス材料の屈折率ｎ_ｐに十分に近い（または一致する）ため、実質的に法線方向の入射光７１０は、無視し得る程度の屈折率変動に遭遇し得る。それゆえ、入射光７１０は、無視し得る程度の散乱を伴ってＰＤＬＣ層を透過され得る。ＰＤＬＣシャッタ７００の透明状態が実現され得る。印加電界の強さを変動させることは、ＰＤＬＣシャッタ７００が不透明からほぼ透明まで連続的に調節されることを可能ならしめ得る。電界の除去後に、ＬＣに対する高分子のアンカリング力がＬＣ液滴７０６を元の向きに回復し得、ＰＤＬＣシャッタ７００は再び乳白色の外観を持ち得る。それゆえ、ＰＤＬＣシャッタ７００は電圧オフ状態において不透明になり、電圧オン状態において透き通り得る。実施形態によっては、ＰＤＬＣシャッタ７００は電圧オン状態において不透明になり、電圧オフ状態において透き通り得る。

ＰＮＬＣシャッタは、２つの反対の基板の間に挟まれたＰＮＬＣ層を含み得る。各基板は、電圧をＰＮＬＣ層に印加するための、ＩＴＯ電極などの、透明電極を提供され得る。実施形態によっては、ＰＮＬＣ層はネマチックＬＣを含み得、ＰＮＬＣシャッタの動作原理はＰＤＬＣシャッタと同様であるが、より低い高分子濃度のゆえに、低減された動作電圧を有し得る。ＰＮＬＣシャッタの切り替え速度は、剪断ＰＮＬＣを用いることによってさらに改善され得、ＰＮＬＣ層は基板と平行な剪断力を受ける。剪断力はＰＮＬＣ内の高分子鎖を剪断運動の方向に方向付け得る。得られた剪断ＰＮＬＣシャッタは数十マイクロ秒の切り替え速度を有し得る。しかし、ネマチックＬＣを含むＰＮＬＣシャッタは依然として偏光感受型であり得、配向層が基板の内面に配設され得る。ＰＮＬＣシャッタの偏光非依存性は、直交する配向方向を有する上述の２つのＰＮＬＣ層を積層することによって、またはＰＮＬＣ構造を９０°ねじれネマチック（ＴＮ：ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）セル内に形成することによって達成され得る。

実施形態によっては、ＰＮＬＣ層はコレステリックＬＣを含み得、コレステリックＬＣのピッチは数マイクロメートル（ｍｓ）であり得、配向層はもはや必要なくなり得る。高電圧がＬＣセルに対して印加されたときには、コレステリックＬＣ内における単量体の重合が生じ得、これがコレステリック構造をほどき、コレステリックＬＣ分子の向きをホメオトロピック状態（すなわち、基板と垂直）に変える。高分子ネットワークは、高電界の下で、ホメオトロピックに配向されたコレステリックＬＣの方向に基板と垂直に形成され得る。重合後、電圧オフ状態において、コレステリックＬＣは、らせん形構造を有する傾向を有し得、その一方で、高分子ネットワークはＬＣ配向子を高分子ネットワークと平行に保つ傾向を有し得る。２つの因子の間の競合はフォーカルコニックテクスチャをもたらし得る。ＰＮＬＣ層はポリドメイン構造を有し得、光学的に散乱性になり得、ＰＮＬＣシャッタの不透明状態を実現する。電圧オン状態において、正の誘電異方性（Δε＞０）を有するＬＣはホメオトロピックテクスチャに切り替えられ得、入射光は、高分子の屈折率ｎ_ｐと一致させられたＬＣの常光反射率ｎ_ｏを経験し得、それゆえ、散乱されずにＰＮＬＣ層を透過され得、ＰＮＬＣシャッタの透明状態を実現する。

充填ＬＣシャッタは、例えば、光誘起相分離によって形成される、液晶（ＬＣ）－コロイドナノ粒子（ＮＰ：ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ）－高分子（Ｐ：ｐｏｌｙｍｅｒ）複合物を含み得る。ナノ粒子はＬＣのための充填材として用いられ得る。ＮＰを充填されたＰＤＬＣについて、ＬＣ－ＮＰ－プレポリマー混合物の光誘起相分離のプロセスにおいて、ナノ粒子は高分子に主に関与し得、高分子マトリックスのための構成単位としての役割を果たす。ＮＰを充填されたＰＤＬＣを含むＬＣシャッタについて、ナノ粒子の凝集レートが高いか、またはナノ粒子のサイズが大きいときには、ＮＰを充填されたＰＤＬＣは、純粋なＰＤＬＣと比べて、増強された光散乱を有し得る。ナノ粒子の凝集レートが低いときには、ナノ粒子は光学的均一性には影響を及ぼさないが、高分子の屈折率を変更し得、これが、ＬＣ滴および高分子マトリックスの屈折率の比、ならびに、結果として、散乱特徴を変更し得る。よって、ＰＤＬＣの電気光学的コントラストが変更され得、特に、ＬＣ滴および高分子マトリックスの屈折率が法線入射光のために一致させられる場合に（ｎ_ｐ＝ｎ_ｏ）、ＬＣ滴および高分子マトリックスの屈折率不一致によって生じる、ＰＤＬＣの軸外ヘイズが効率的に抑制され得る。

散乱および吸収に基づくＬＣシャッタは、図７Ａ～図７Ｂに示される散乱に基づくＬＣシャッタ、および図６Ａ～図６Ｂに示される吸収に基づくＬＣシャッタの組合せであり得る。図８Ａ～図８Ｂは、本開示の一実施形態に係る散乱および吸収に基づくＬＣシャッタ８００の概略図を例示する。図８Ａに示されるように、ＬＣシャッタ８００は、２つの反対の基板８０２、および２つの基板８０２の間に挟まれた色素（例えば、二色性色素）をドープされたＰＤＬＣ（もしくはＰＮＬＣ）の複合層８０４を含み得る。各基板は平面透明電極８０６、例えば、ＩＴＯ電極を提供され得る。各電極８０６は配向層（描かれていない）を提供され得、配向層を通して、負の誘電異方性（Δε＜０）を有するＬＣ分子８０８はホメオトロピックに（または鉛直に）配向され得、色素分子８１０はＬＣ分子８０８と共に配向し得る。色素分子８１０は長軸内に吸収軸を有し得る。

電圧オフ状態では、図８Ａに示されるように、ＬＣ分子８０８および色素分子８１０は各基板８０２上で鉛直に配向され得、偏光していない実質的に法線方向の入射光８２０は弱く吸収され得る。他方で、ＬＣの常光屈折率ｎ_ｏが高分子マトリックス材料の屈折率ｎ_ｐに十分に近い（または一致する）ため、実質的に法線方向の入射光８２０は、無視し得る程度の屈折率変動に遭遇し得る。それゆえ、入射光８２０は、無視し得る程度の散乱を伴って透過され得る。ＬＣシャッタ８００の透明状態が実現され得る。

電圧オン状態では、図８Ｂに示されるように、電界が複合層８０４の法線方向に沿って印加され得、負の誘電異方性（Δε＜０）を有するＬＣ分子８０８は電界によって向きを変えられ、基板８０２と平行になり得る。色素分子８１０の向きもＬＣ分子８０８と共に変化し得、その結果、色素分子８１０の吸収軸の向きが、例えば、弱吸収性の／ホメオトロピックな向きから強吸収性の／ホモジニアスな向きに変化させられ得る。よって、入射光８２０は強く吸収され得る。他方で、高分子マトリックス材料の屈折率とＬＣの実効屈折率との差は入射光８２０の散乱を生じさせ得る。それゆえ、ＬＣシャッタ８００の不透明状態が実現され得る。

以下において、例示的な高速切り替え可能ＬＣ格子および偏光感受型格子が呈示されることになる。高速切り替え可能ＬＣ格子の例は、Ｈ－ＰＤＬＣ格子、ＬＣを充填された表面レリーフ格子、およびＬＣ配向の変調に基づくＬＣ格子等を含み得る。

Ｈ－ＰＤＬＣ格子は、レーザ干渉照射下で単量体およびＬＣの等方性感光液体混合物を重合することによって製作され得る。Ｈ－ＰＤＬＣ格子は、ＬＣの液滴構造およびＬＣの層構造を有する格子を含む。図９Ａ～図９Ｂは、本開示の一実施形態に係る液滴タイプのＨ－ＰＤＬＣ格子９００の概略図を例示する。図９Ａに示されるように、Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００は、２つの基板９０６の間に挟まれた高分子マトリックス９０４内に埋め込まれた、ランダムに指向された、または部分的に指向されたネマチックＬＣ液滴９０２の層を含み得る。各基板９０６は、ＩＴＯ電極などの、透明導電性電極９０８を提供され得る。ＬＣ液滴９０２内のＬＣの常光屈折率ｎ_ｏは、高分子マトリックス９０４の材料の屈折率ｎ_ｐに十分に近くなるように選定され得る。ＬＣ液滴９０２と高分子マトリックス９０４の材料との屈折率差のために、ＬＣ含有量の空間変調は平均屈折率の変調を生み出し得、法線方向の入射光９１０を回折する光位相格子をもたらす。Ｈ－ＰＤＬＣ内のＬＣ液滴９０２は、通常、非常に小さく（サブ波長サイズ）、これにより、ＬＣおよび高分子の屈折率不一致に起因する散乱が最小限に抑えられ得、位相変調のみが役割を果たし得る。換言すれば、Ｈ－ＰＤＬＣは、多くの場合、ナノＰＤＬＣのクラスに属する。

図９Ｂに示されるように、得られた光位相格子は、外部電圧を印加することによってオフに切り替えられ得、これにより、液滴配向子は電界方向と共に配向され得る。ＬＣ液滴９０２内のＬＣの常光屈折率ｎ_ｏが、高分子マトリックス９０４の材料の屈折率ｎ_ｐに十分に近くなるように選定されるため、法線方向の入射光９１０は屈折率変調を経験しなくてもよく、それゆえ、無視し得る程度の回折を伴って透過され得る。

高い屈折率変調のゆえに、例えば、屈折率変調の振幅はＬＣの複屈折に近くなり得、Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００はブラッグ領域内でさえも数マイクロメートル（ｍｓ）の実質的に薄い厚さを有し得る。Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００の回折効率は約８０％に近くなり得る。実施形態によっては、Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００は偏光感受型であり得る。Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００の回折効率は、Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００内におけるＬＣの部分的配向のために、偏光依存性を有し得る。用いられる材料に応じて、ｐ偏光またはｓ偏光のどちらかは強く回折され得、その一方で、他の偏光を有する光は無視し得る程度に回折され得る。

例示の目的のために、図９Ａ～図９Ｂは、Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００が外部電圧によって切り替え可能であり、電圧がオフに切り替えられたときに、Ｈ－ＰＤＬＣ格子９００は格子効果を呈し得、電圧がオンに切り替えられたときに、格子効果は消滅し得る様子を示す。実施形態によっては、Ｈ－ＰＤＬＣ格子は切り替え不能であり得る。この場合には、基板は導電性電極を包含しなくてもよい。

無液滴Ｈ－ＰＤＬＣ格子は、Ｐｏｌｉｃｒｙｐｓ（高分子－液晶－高分子－スライス）およびＰｏｌｉｐｈｅｍ（電気的統御可能高分子－液晶－高分子ホログラム）格子を含み得る。どちらの種類の格子においても、ＬＣ液滴の核形成が妨げられ得、これにより、格子のモルフォロジは単純に、高分子およびＬＣの交互の一様な膜から成り得る。大抵のＨ－ＰＤＬＣ格子と比べて、ＰｏｌｉｃｒｙｐｓおよびＰｏｌｉｐｈｅｍ格子においてはより高い屈折率変調が達成され得、それゆえ、Ｈ－ＰＤＬＣ格子と同じ格子厚さを所与として、より高い回折効率が獲得され得る。加えて、ＬＣドメインの寸法が、液滴サイズではなく、格子間隔によって固定されるため、ＰｏｌｉｃｒｙｐｓおよびＰｏｌｉｐｈｅｍ格子の散乱損失が強く低減され得、切り替え電圧がはるかにより低くなり得る。しかし、ＰｏｌｉｃｒｙｐｓおよびＰｏｌｉｐｈｅｍ格子はより遅い応答時間を有し得る。

図１０Ａ～図１０Ｂは、ＬＣを充填された表面レリーフ格子である格子１０００の概略図を例示する。図１０に示されるように、格子１０００は、以下の説明においてＬＣ充填ＳＲＧと称される、ＬＣ１０２０を充填された表面レリーフ格子（ＳＲＧ：ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇ）１０１０であり得る。表面レリーフ格子１０１０は、フォトポリマー、例えば、アクリルアミド系フォトポリマー内に光学的に記録され得る。ＬＣ充填ＳＲＧ１０００は、表面レリーフ格子１０１０および充填ＬＣ１０２０を挟む２つの反対の透明基板１０３０を有し得る。各基板１０３０は透明電極（例えば、ＩＴＯ電極）１０４０を提供され得る。ＬＣ１０２０の常光屈折率ｎ_ｏは、ＳＲＧ１０１０の高分子材料の屈折率ｎ_ｐに十分に近くなるように構成され得る。表面レリーフ格子１０１０はＬＣ１０２０を特定の方向に配向させ得る。一実施形態では、図１０Ａに示されるように、ＬＣ１０２０は格子溝の方向に、例えば、ｙ軸の方向にホモジニアス配向を有し得る。

ＬＣ格子１０００は直線偏光に対して感受性を有し得、切り替え可能であり得る。電圧オフ状態では、図１０Ａに示されるように、ホモジニアスに配向されたＬＣ１０２０と、表面レリーフ格子１０１０のフォトポリマーとの間の屈折率差（すなわち、ｎ_ｅとｎ_ｐとの間の屈折率差）のゆえに、屈折率の周期的変調がＬＣ充填ＳＲＧ１０００内で実現され得る。実施形態によっては、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００に入射するｓ偏光入射光１０５０は回折され得、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００のオン状態を実現する。電圧オン状態では、図１０Ｂに示されるように、電界の印加に伴って、ＬＣ１０２０は電界方向と共に（例えば、ｚ軸に）配向され得、これにより、ＬＣ１０２０の屈折率は表面レリーフ格子１０１０のフォトポリマーの屈折率と一致する。この状態では、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００内における屈折率の周期的変調は消滅し得、ｓ偏光入射光１０５０は直接透過され得、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００のオフ状態を実現する。具体的には、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００の回折効率は、印加電界を変動させることによって制御され得、ＬＣ充填ＳＲＧ格子１０００内のＬＣ１０２０の向きの変更のみが回折効率に影響を及ぼし得る。ｐ偏光入射光は、フォトポリマーと一致させられたＬＣ１０２０の常光屈折率ｎ_ｏを常に見るため、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００がオン状態またはオフ状態にあるときにｐ偏光入射光は回折され得ない。換言すれば、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００はｐ偏光入射光に対して均一な透明板のように見え得る。

例示の目的のために、図１０Ａ～図１０Ｂは、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００が外部電圧によって切り替え可能である様子を示す。電圧がオフに切り替えられたときに、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００は格子効果を呈し得、電圧がオンに切り替えられたときに、格子効果は消滅し得る。実施形態によっては、例えば、基板が電極を提供されていないときには、ＬＣ充填ＳＲＧ１０００は切り替え不能であり得る。

ＬＣ層内の格子効果はまた、ＬＣ配向の変調によって生じ得る。ＬＣ格子をオン状態とオフ状態との間で高速度で切り替えるには、ＦＬＣモード、パイセルモード、２周波ネマチックモード等などの、高速ＬＣモードが極めて望ましくなり得る。実施形態によっては、ＬＣ配向の変調は、ストライプ状電極、ピクセル状電極を用いるなどして、電界によって実現され得る。実施形態によっては、ＬＣ配向の変調は、ＬＣのアンカリング条件の変調、例えば、ＬＣの容易軸の面内変調、ＬＣのプレチルト角の変調によって実現され得る。

本論議（discourse）はまた、導波路ディスプレイアセンブリのための方法を提供する。図１１は、本開示の一実施形態に係る導波路ディスプレイアセンブリのための方法のフローチャートを例示する。図１１に示されるように、本方法は、プロジェクタの表示フレームの仮想世界サブフレームの間、プロジェクタを、画像光を生成するようオンに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、画像光を、回折を介して導波路外へ減結合し、アイボックスへ至らせるよう回折状態に切り替えることを含み得る（Ｓ１１１０）。本方法は、表示フレームの現実世界サブフレームの間、プロジェクタを、画像光を生成しないようオフに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、所定の閾値よりも低い回折効率を有する非回折状態に切り替えることをさらに含み得る（Ｓ１１２０）。実施形態によっては、少なくとも１つの切り替え可能格子はアウトカップリング格子であり得る。

実施形態によっては、本方法は、表示フレームの仮想世界サブフレームの間、全ての切り替え可能格子を、画像光を、回折を介して案内すること、拡大すること、または導波路外へ減結合し、アイボックスへ至らせることのうちの少なくとも１つを遂行するように切り替えることと、表示フレームの現実世界サブフレームの間、全ての切り替え可能格子を、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもってアイボックスへ透過するように切り替えることとをさらに含み得る。実施形態によっては、全ての切り替え可能格子は、１つまたは複数のアウトカップリング格子、１つまたは複数の折り返し格子、１つまたは複数の瞳拡大格子、および現実世界環境からアイボックスに向かう光の光学経路内に配設された任意の他の格子を含み得る。

実施形態によっては、本方法は、現実世界サブフレームの間、プロジェクタの前方に配設された光シャッタを、画像光が導波路に入射するのを阻止するよう不透明状態に切り替えることと、仮想世界サブフレームの間、切り替え可能光シャッタを、画像光を、導波路に入射するよう透過するよう透明状態に切り替えることとをさらに含み得る。切り替え可能光シャッタの切り替え時間は、現実世界および仮想世界サブフレームが時間にわたって切り替えられ、ユーザのフリッカ融合閾値を超える、すなわち、フリッカ融合閾値を上回るレートで呈示されるよう、十分に高速である。

実施形態によっては、本方法は、現実世界サブフレームの間、アウトカップリング格子の反対に配設された高速光学調光器を、現実世界環境からの光を、導波路に入射するよう透過するよう透明状態に切り替えることと、仮想世界サブフレームの間、調光器を、現実世界環境からの光を、導波路に入射しないよう調光する不透明状態に切り替えることとをさらに含み得る。実施形態によっては、調光器は、現実世界サブフレームの間、現実世界光を透過するよう透明状態に切り替えられ、仮想世界サブフレームの間、現実世界光を調光するよう（完全に阻止することを含む）、不透明状態に切り替えられ得る。シースルー減衰の場合の暗い背景は、このサブフレーム内で顕示される仮想画像のコントラストを増大させ得る。仮想世界サブフレームが全フレーム期間の１０％にわたって持続するように構成されているときには、シースルーアーチファクトはシースルー明るさの１０％の低減を代償にしてほとんど解消され得る。実施形態によっては、調光器は入射光を適応的に調光し得る。すなわち、調光器は、２つの透過率状態のみを有する遮断要素ではなく、制御可能調光要素として機能し得る。調光器によって提供される減衰は、例えば、外部電界、磁界、または光、あるいはこれらの何らかの組合せによって制御され得る。

本開示の実施形態の上述の説明は例示の目的のために呈示された。説明は、網羅的であることを意図されておらず、または本開示を、開示された厳密な形に限定することも意図されていない。当業者は、上述の開示を考慮して多くの変更および変形が可能であることを理解することができる。

本説明のいくつかの部分は、情報に対する動作のアルゴリズムおよび記号的表現を用いて本開示の実施形態を説明している。これらのアルゴリズム的記述および表現は、データ処理技術分野における当業者によって、彼らの仕事の内容を他の当業者へ効果的に伝えるために一般的に用いられている。これらの動作は、機能的に、計算的に、または論理的に説明されているが、コンピュータプログラムまたは同等の電気回路、マイクロコード、あるいは同様のものによって実施されることが理解される。さらに、動作のこれらの取り合わせを、一般性を失うことなく、モジュールと称することが時として都合良いことも分かっている。上述の動作およびそれらの関連モジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの任意の組合せの形で具現され得る。

本明細書において説明されるステップ、動作、またはプロセスのうちの任意のものは、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを用いて、単独で、または他のデバイスと組み合わせて遂行または実施され得る。一実施形態では、ソフトウェアモジュールは、コンピュータプロセッサによって、説明されるステップ、動作、またはプロセスのうちのいずれかまたは全てを遂行するために実行され得る、コンピュータプログラムコードを包含するコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品を用いて実施される。

本開示の実施形態はまた、本明細書における動作を遂行するための装置に関し得る。この装置は、要求される目的のために特別に構築されていてもよく、ならびに／あるいは、この装置は、コンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に作動または再構成される汎用コンピューティングデバイスを備え得る。このようなコンピュータプログラムは、コンピュータシステムバスに結合され得る、非一時的な有形コンピュータ可読記憶媒体、または電子命令を記憶するために適した任意の種類の媒体内に記憶され得る。さらに、本明細書において言及される任意のコンピューティングシステムは単一のプロセッサを含み得るか、計算能力の増大のためにマルチプロセッサ設計を採用したアーキテクチャであり得る。

本開示の実施形態はまた、本明細書において説明される計算プロセスによって作り出される製品に関し得る。このような製品は、計算プロセスの結果もたらされる情報を含み得、情報は非一時的有形コンピュータ可読記憶媒体上に記憶され、本明細書において説明されるコンピュータプログラム製品または他のデータの組合の任意の実施形態を含み得る。

最後に、本明細書において使用される文言は、主として、読みやすさおよび教育的目的のために選択されたものであり、文言は、本発明の主題を線引きまたは限定するために選択された可能性はない。したがって、本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に基づく出願で発行される任意の請求項によって限定されることが意図される。よって、実施形態の開示は、添付の特許請求の範囲において規定される、本開示の範囲の限定ではなく、例示であることが意図される。

Claims (20)

1. 画像光を生成するように構成されたプロジェクタと、
   前記プロジェクタと光学的に結合されており、前記画像光をアイボックスへ誘導するように構成された導波路と、
   を備え、前記導波路が、
   前記画像光を前記導波路内へ結合するように構成されたインカップリング要素、および
   前記画像光を前記導波路外へ減結合するように構成されたアウトカップリング要素、
   を含み、
   前記導波路が、
   表示フレームの仮想世界サブフレームの間、前記画像光を、回折を介して前記導波路外へ減結合すること、および
   前記表示フレームの現実世界サブフレームの間、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもって前記アイボックスへ透過すること
   を行うように構成された少なくとも１つの切り替え可能格子を含む、光学デバイス。
2. 前記所定の閾値が約０．１％である、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記導波路が複数の切り替え可能格子を含み、各々が、
   前記表示フレームの前記仮想世界サブフレームの間、前記画像光を、前記回折を介して案内すること、拡大すること、または前記導波路外へ減結合することのうちの少なくとも１つを遂行すること、および
   前記表示フレームの前記現実世界サブフレームの間、前記現実世界環境からの前記光を、前記所定の閾値未満の前記回折効率をもって前記アイボックスへ透過すること
   を行うように構成されている、請求項１に記載の光学デバイス。
4. 前記現実世界サブフレームが、前記仮想世界サブフレームよりも長い持続期間を有する、請求項１に記載の光学デバイス。
5. 前記現実世界サブフレームが前記表示フレームの時間の約９０％～９９％にわたって持続する、請求項４に記載の光学デバイス。
6. 前記現実世界および仮想世界サブフレームが、前記光学デバイスのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示される、請求項１に記載の光学デバイス。
7. 前記少なくとも１つの切り替え可能格子が、液晶（ＬＣ）を含む切り替え可能格子である、請求項１に記載の光学デバイス。
8. 前記プロジェクタが、前記仮想世界サブフレームの間、オンに切り替えられ、前記現実世界サブフレームの間、オフに切り替えられるように構成された高速プロジェクタであり、前記高速プロジェクタが、前記現実世界および仮想世界サブフレームが、前記光学デバイスのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示されるよう、十分に短い切り替え時間を有する、請求項１に記載の光学デバイス。
9. 前記高速プロジェクタが、ＤＬＰ（デジタル光処理）プロジェクタ、ＬＣｏＳ（シリコン上の液晶）プロジェクタ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）プロジェクタ、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）プロジェクタ、またはマイクロＬＥＤ（発光ダイオード）プロジェクタのうちの１つを含む、請求項８に記載の光学デバイス。
10. 前記プロジェクタが、前記仮想世界サブフレームの間、オンに切り替えられ、前記現実世界サブフレームの間、オフに切り替えられるように構成された光源を含み、前記光源が、前記現実世界および仮想世界サブフレームが、前記光学デバイスのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示されるよう、十分に短い切り替え時間を有する、請求項１に記載の光学デバイス。
11. 前記プロジェクタの前方に配設された切り替え可能光シャッタであって、
    前記現実世界サブフレームの間、前記画像光が前記導波路に入射するのを阻止すること、および
    前記仮想世界サブフレームの間、前記画像光を、前記導波路に入射するように透過すること
    を行うように構成された切り替え可能光シャッタをさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
12. 前記切り替え可能光シャッタが、前記現実世界および仮想世界サブフレームが、前記光学デバイスのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示されるよう、十分に短い切り替え時間を有する、請求項１１に記載の光学デバイス。
13. 前記現実世界環境に面する前記導波路の側に配設されており、前記仮想世界サブフレーム内で前記現実世界環境からの前記光を調光するように構成された光学調光器をさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
14. 光学デバイスのための方法であって、
    プロジェクタの表示フレームの仮想世界サブフレームの間、前記プロジェクタを、画像光を生成するようオンに切り替え、少なくとも１つの切り替え可能格子を、回折を介して前記画像光を導波路外へ減結合し、アイボックスへ至らせるように切り替えることと、
    前記表示フレームの現実世界サブフレームの間、前記プロジェクタを、前記画像光を生成しないようオフに切り替え、前記少なくとも１つの切り替え可能格子を、現実世界環境からの光を、所定の閾値未満の回折効率をもって前記アイボックスへ透過するように切り替えることと
    を含む方法。
15. 前記表示フレームの前記仮想世界サブフレームの間、全ての切り替え可能格子を、前記画像光を、前記回折を介して案内すること、拡大すること、または前記導波路外へ減結合し、前記アイボックスへ至らせることのうちの少なくとも１つを遂行するように切り替えることと、
    前記表示フレームの前記現実世界サブフレームの間、全ての前記切り替え可能格子を、前記現実世界環境からの前記光を、前記所定の閾値未満の前記回折効率をもって前記アイボックスへ透過するように切り替えることと
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記所定の閾値が約０．１％である、請求項１４に記載の方法。
17. 前記現実世界サブフレームが、前記仮想世界サブフレームよりも長い持続期間を有する、請求項１４に記載の方法。
18. 前記少なくとも１つの切り替え可能格子の切り替え時間が、前記現実世界および仮想世界サブフレームが、前記光学デバイスのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示されるよう、十分に高速である、請求項１４に記載の方法。
19. 前記現実世界サブフレームの間、前記プロジェクタの前方に配設された切り替え可能光シャッタを、前記画像光が前記導波路に入射するのを阻止するように切り替えることと、
    前記仮想世界サブフレームの間、前記切り替え可能光シャッタを、前記画像光を、前記導波路に入射するよう透過するように切り替えることと
    をさらに含み、
    前記切り替え可能光シャッタの切り替え時間が、前記現実世界および仮想世界サブフレームが、前記光学デバイスのユーザのフリッカ融合閾値を超えるレートで呈示されるよう、十分に高速である、請求項１４に記載の方法。
20. 前記現実世界環境に面する前記導波路の側に配設された光学調光器を、前記仮想世界サブフレーム内で前記現実世界環境からの前記光を調光するように切り替えることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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